神戸大学大学院工学研究科の中山恵介教授、熊本悦子教授、大学院生緒方敬亮氏、釧路市教育委員会マリモ研究室尾山洋一博士、北見工業大学工学部駒井克昭教授、神戸大学医学部附属病院医療技術部放射線部門堀井慎太郎氏、同放射線部門曽宮雄一郎氏、株式会社西村組研究開発室山田俊郎氏、株式会社豊水設計佐藤之信博士、同社佐野史弥氏らの研究グループは、マリモの年齢推定と成長に欠かせないメカニズムの解明に成功しました。今後、将来におけるマリモの維持管理に役立つことが期待されます。この研究成果は、11月10日に、Scientific Reports に掲載されました。

ポイント

• MRI計測によりマリモは木とよく似た年輪を持つことがわかり、年輪の幅から年齢の推定に成功しました。
• マリモは地上最小スケールの栄養循環により成長している可能性が示されました。

研究の背景

マリモは、Aegagropila linnaei (エガグロピラ?リンナエ) という学名を持つ、アオミソウ科に分類される淡水生の緑藻類の一種です (図１) 。北半球の高緯度地方の湖などに広く分布し、真球に近い集合体を形成することで知られ、海外ではlake ball またはalgae ball などと呼ばれています。直径が10cm以上に成長するマリモが群生している湖は、アイスランドのLake M?vatnと日本の阿寒湖の2か所でしたが、2013年にはLake M?vatnのマリモは富栄養化などの影響によりほぼ消失しました。

一方で、阿寒湖のマリモも、20世紀前半から近年までに実施された森林伐採や電源開発、阿寒湖周辺の観光地化等のさまざまな環境変化から、土砂流入、湖水面低下、そして湖の富栄養化などにより、かつて4箇所あった群生地は現在2箇所にまで減少しました。

マリモは、長さ3 cm程度の糸状の細い藻が無数に集まり、回転しながら表層で光合成を行うことで成長し、球体を形成することが確認されていますが、その成長速度やマリモへの栄養供給機構など、物理的要因に基づいたマリモの形成過程は十分に解明されていませんでした。

研究の内容

マリモ内部の構造を正確に調査するためには、切断などを伴わない非破壊検査が必要となります。そこで私達は、人間の体内を検査するために利用されているmagnetic resonance imaging (MRI) を用いて内部構造を調べました。

マリモ内部は、光合成出来ないため空洞になることが知られており、実際のMRIにおいても表面から4 cm～5 cmより内側では空洞化していることが確認されました (図２)。そして、全てのマリモのMRIの表面から4 cm～5 cmまでの間において、木の切り株に見られる年輪のような模様を発見しました。

解氷期から結氷前までは風波の影響によりマリモが回転?振動することで表面が磨かれ、ほとんど動かなくなる結氷期には表面がボサボサに近い状態になると考えられます。つまり、マリモの年輪は木と同じく年成長の記録だと言えます。一つ一つの年輪の幅は4.5 mmから6.3 mmであり、直径換算して1年間で9 mmから12.6 mmほど成長することがわかりました。つまり、球になり始める5 cmから巨大マリモと呼ばれる30 cmまで成長するには、約20年から28年要することを意味します。

(a) 直径10 cmのマリモ　(b) 直径22 cmのマリモ

一方で、マリモ群生地に注ぎ込む河川の栄養レベルは高いとは言えず、周辺に栄養を多く必要とする水草が多いため、どのようにマリモが栄養を吸収しているかという未解決の問題がありました。その回答の一つとして、図２で示されたマリモ内部の白い塊の役割が重要であることがわかりました。

マリモ内部の剥離した糸状の細い藻の塊は、水中酸素濃度が低いマリモ内部において分解され、栄養を溶出します。マリモ内外の水は約105時間で交換していることが本研究で示されており、内部で生成された栄養はマリモ外部へとゆっくりと溶け出していくことがわかりました (図３)。マリモはその栄養も利用して光合成により成長していると推測されました。同じ北海道地方には、サケやマスの河川への遡上を介して陸域に海域の栄養が与えられ、降雨出水により陸域から海域に栄養が還元されるという海陸間の栄養循環が認められて世界遺産となった知床があります。今回のマリモ内外での栄養の循環は、地上最小スケールの栄養循環であると言えます。

(a) 風波とマリモの回転と振動　(b) マリモ内部で栄養を生成と光合成による表面付近の成長

今後の展開

これまでの研究で、風波によるマリモの回転?振動が、表面に溜まった有機物などの光合成を阻害する物質を振り落として成長し、表面を磨くことで球形が形成されることがわかりつつあります。また、本研究により成長速度や栄養供給メカニズムも解明されつつあります。しかし、地球温暖化などにより、今後、微妙なバランスで保たれている球形の形成や栄養循環が失われる可能性があります。今後、より詳細な物理環境からみた球状マリモの形成機構を研究することで、将来におけるマリモの維持管理に役立つことが期待されます。

論文情報

タイトル

“The structure and formation of giant Marimo (Aegagropila linnaei) in Lake Akan,Japan”

DOI

10.1038/s41598-021-01028-5

著者

Keisuke Nakayama, Katsuaki Komai, Keisuke Ogata, Toshiro Yamada, Yukinobu Sato, Fumiya Sano, Shintarou Horii, Yuichiro Somiya, Etsuko Kumamoto & Yoichi Oyama

掲載誌

Scientific Reports